金属３Dプリンターで創出する、
製造業のビジネス・イノベーション
工業製品の開発過程で、意匠デザインの試作などへの3Dプリンターの利用が一般的になってきました。そして今では、プリント可能な素材が樹脂から金属へと拡大。高い剛性や耐久性が求められる生産設備の部品の製作や少量生産製品の構成部品の加工にも活用されるようになってきています。3D プリンターは、3D CADで描いた設計モデルをそのまま具現化できます。金属材料に適用可能になったことで、切削・鋳造・鍛造などの従来金属加工手法を適用できなかった難加工の材料・形状を自在に造形できます。そして、これまで実現できなかった機能・性能を持つ機器を実現したり、保守で利用する交換部品などをサービスセンターで必要に応じて作成したり、製品の開発・生産の変革やビジネス・イノベーションを起こす可能性が出てきています。適用素材はセラミックスやガラスなどにも拡大しています。ここでは、そんな製造業のモノづくりとコトづくり双方での進化を後押しするキーテクノロジーになりつつある金属3Dプリンターについて、基本原理からユースケース、製造業での活用によるインパクトについて解説します。
RX Japan株式会社では、日本最大級の製造業の展示会「ものづくり ワールド」を東京で行うほか、大阪・名古屋・福岡でも開催しております。その中でも、構成展の一つである「次世代3Dプリンタ展」では、アディティブ・マニュファクチャリング、3Dプリンタ、材料、受託造形サービスなどが数多く出展します。新しい価値を持つ製造技術に関する最新情報を一括収集できる貴重な場になります。
製造業の最先端事例が学べるセミナーもあるため、足を運んでみてはいかがでしょうか？また、来場だけでなく展示会への出展も受け付けております。気になる方は、お気軽にお問い合わせください。
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金属加工にも活用広がる3Dプリンター
金属加工にも活用広がる3Dプリンター
3Dプリンターが樹脂材料だけでなく、金属材料にも利用可能に
コンピュータ上で描いた“モノ”の形状データを、忠実に立体物として作り出すことができる3Dプリンター・・・。現在では、産業界はもとより、生活の中でも広く利用されるようになりました。既に、趣味としてフィギュアやミニュチュアなどを3Dプリンターで作る一般ユーザーも珍しくなくありません。こうした状況は、立体物の形状データの作成が容易になり、3Dプリンターの使い勝手が向上して、利用のハードルが劇的に下がってきていることを如実に表しています。
自動車や家電製品、情報機器などの製造業では、意匠デザインのレビューやそれらの部品を試作する用途などを中心に当たり前のツールとして活用されています。そして、近年では、試作用途だけでなく、実際に商品に組み込む部品や射出成形などの金型、自社利用設備用の治具などを作る工作機として3Dプリンターを利用する例が増えてきています。こうした動きが顕在化してきた背景には、3Dプリンターで造形可能な材料が樹脂から、より剛性と耐久性に優れた金属へと拡大し、「金属3Dプリント（金属積層造形）」技術が実用化されたことがあります（図1）。
図1 金属での造形が可能になり、3Dプリンターの利用シーンが急拡大
出所：筆者が作成
人類の文明の発展は、金属加工の進歩の歴史であると言っても過言ではありません。現時点で、金属加工の手法は、切削・鋳造・鍛造が主流となっています。このうち、鋳造と鍛造は有史以前から存在しました。金属の精製が可能になり、農具や武器などの道具に加工する鋳造・鍛造の技術を手中にしたからこそ、文明が生まれたと言うことができるでしょう。そして切削は、金属を削る工具・工作機が発達したことで実現した加工技術です。これによって、私たちは精密な金属部品を作り、それを組み合わせて精巧な機械を作ることができるようになりました。金属の新しい加工技術を入手したことで、産業革命を後押しする素地ができたわけです。
そして今、私たちは金属3Dプリンティングという新たな金属加工の手法を手中にし、それを使いこなしつつあります。その活用は、未来の文明の発達に大きなインパクトをもたらすことを予感させます。ここからは、金属3Dプリンターの現在を知り、その潜在的可能性を洞察しながら展望してみたいと思います。
少量生産品の柔軟な加工と低コスト化が可能
3Dプリンターのように、設計データを基にして素材を少しずつ積み上げながら多様な形状のモノを作り上げる加工法のことを、「積層造形法（アディティブマニュファクチャリング）」と呼びます（図2）。その活用には、切削や鋳造、射出成形などの従来加工法では実現できなかったメリットがあります。
図2 アディティブマニュファクチャリングのコンセプトとメリット
出所：筆者が作成
最大のメリットは、少量生産するワークの生産コストを削減することができることです。現在、金属3Dプリンターが活用されている主な目的が、このメリットに注目したものになっています。従来加工法では、生産するワークごとに、加工に用いる治具や工具を用意する必要がありました。このため、ワークを変えるたびに段取り替えが発生します。大量生産してこれらを使い回すことができる場合に限り、単価を下げることが可能です。
これに対し、3Dプリンターを使って少量生産品を造形すれば、治具や工具が不要になるため、素材や加工そのものに要するコストが高くても、トータルでの単価は安価になる傾向があります。このため、装置・設備の治具や金型など少量だけ必要なモノの製作などには最適だと言えます。これまで、治具や金型の製作を外注していた例が多かったと思われますが、3Dプリンターを利用して内製化することで、コスト削減や必要になったタイミングでのタイムリーな入手が可能になります。金属3Dプリンターにおいても、こうした少量生産に向くメリットはそのまま享受できます。
多様な特徴的方式からユースケースに合った装置を選択可能に
多様な特徴的方式からユースケースに合った装置を選択可能に
金属3Dプリンターの基本原理を解説
現時点で、応用適性の異なる、大きく4方式の金属3Dプリンターが開発され、いずれも既に商用機が販売されています（図3）。利用者は、適用シーンを精査して、最適な方式の3Dプリンターを導入できるようになりました。
図3 金属3Dプリンターの造形原理と長所・短所が異なる4方式
出所：筆者が作成
SLM方式など粉末床溶融結合（Power Bed Fusion：PBF）方式
最も一般的で、最初に実用化されたのが粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion：PBF）方式です。粉末状の金属素材を平らに敷き詰めて、設計した3Dモデルからワークの断面形状を切り出して、レーザービームや電子ビームで一層ずつ溶融・固着させながら積層する原理で造形します。レーザービームを利用するタイプはSLM（Selective Lazer Melting）方式、ビームを使用するタイプはEBM（Electron Beam Melting）方式と呼ばれています。なかでもSLM方式は、最も広く普及している金属3Dプリンターの方式です。近年では、造形精度が高まってきました。一方、EBM方式は、チタン合金や銅などレーザーでは扱えない金属を使って造形できます。ただし、SLM方式に比べると精度で劣る傾向があります。これらのPBF方式は、いずれも多様な素材に適用できる汎用性の高い方式なのですが、装置が高価であること、粉末状の金属素材の扱いが難しいことから、利用シーンや導入企業が限定されていました。
材料押出（MaterialExtrusion：MEX）方式
樹脂用3Dプリンターでも導入されている材料押出（MaterialExtrusion：MEX）方式の金属3Dプリンターも登場しています。MEX方式とは、金属素材を樹脂やワックスで固めたフィラメント状の材料を加熱溶融させてノズルから吐出し、一層ずつ積層していく方法です。MEX方式の金属3Dプリンターでは、出力した後に、脱脂・焼結という後工程を実施し、材料に含まれていた樹脂などを除去して金属素材を固めることで完成します。この方式は、PBF方式に比べれば装置が安価です。ただし、後工程向けの装置・設備が必要になる点が難点になります。また、微細形状ワークの造形が苦手な傾向もあります。
エネルギー堆積（Directed Energy Deposition：DED）方式
また、PBF方式とMEX方式の折衷案と言える指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition：DED）方式もあります。DED方式では、ノズルから吹きつけた粉末状の金属素材もしくは金属ワイヤーをレーザーもしくは電子ビームで溶かしながら、ワークを積層していきます。PBF方式のような難しい粉末金属の扱いがなく、MEX方式で不可欠な後工程が不要な点、PBF方式に比べれば導入時の装置・設備に要するコストが安価な点が特長です。造形時間もPBF方式よりも短い傾向があります。ただしPBF方式に比べれば、微細構造の造形は苦手であり、どちらかといえば単純な形状で大型のワークの造形に向いています。
バインダージェット方式
PBF方式と同様の微細形状のワークの造形に適用可能で、なおかつ生産性を高めたバインダージェット方式と呼ばれる方式も実用化しています。敷き詰めた金属粉末上にワークの断面形状の領域に樹脂製バインダー材を噴射し、一層ずつ積層していく方式です。バインダー材の噴射は、インクジェットプリンターに似たものであり、広範囲を一度に積層できるため、高速での出力が可能です。ただし、MEX方式と同様の脱脂・焼結の後工程が必要になります。装置価格も比較的高価で、付帯設備も含めて導入時の設備投資が最も高くなる傾向があります。ただし、広範囲での積層を高速実行できる特長を活かして、複数種類のワークを一括造形するなどの工夫をすれば、生産コストを削減することが可能になります。
AIが生み出す常識外れの設計案を忠実に具現化可能に
AIが生み出す常識外れの設計案を忠実に具現化可能に
従来の切削加工では実現できなかった難加工材・難加工形状を造形
切削・鋳造・鍛造など、これまでの金属加工法では、加工の原理に由来する設計形状の制限がありました。
例えば、素材の塊から所定の形状を削り出す切削加工では工具が届く範囲で加工可能な形状しか作ることができません。鍛造も同様です。また、鋳造においても、型の中に素材が行き届く形状だけしか作れません。また、中空構造や、ワークの内部にさらに造形物があるような形状も、加工が困難でした。これまで、従来法で加工できない複雑な形状のワークを作る際には、ワークを加工可能な形状の複数部分に分割し後から組み立てる必要がありました。
これに対し、3Dプリンターを活用すれば、どのような形状のワークであっても、3D CADで設計した通りに造形することが可能になります（図4）。このため、これまでよりも攻めた設計を行ったり、部品点数を減らして強度などの特性を高めたり、組み立てを不要にしてコスト削減を実現できる可能性が出てきます。
図4 金属3Dプリンターならば、難加工形状・難加工材を自在に造形可能
さらに、軽量化に向けたワークの薄肉化にも向いています。自動車や航空機などの部品をはじめとして、形状を工夫ながらワークを薄肉化して、剛性を高めながら軽量化を図るような設計領域は多くあります。ここは、設計者の一番の腕の見せ所であると言えます。しかし、従来加工法では、ワークが薄肉化すると切削する量が増え、射出成形では金型中に素材が行き届きにくくなり、加工時間が長くなってしまいます。これに対し、金属3Dプリンターを活用する場合には、薄肉化は、造形時間の短縮や素材費用の削減といった加工時にも好ましい効果をもたらします。
現在の金属3Dプリンターでは、ステンレス鋼や工具鋼、チタン合金などの優れた特性を持つ金属材料にも適用可能です。これによって、特に高い強度、剛性といった機械特性や、耐食性や耐久性といった化学特性が求められる金属部品の造形に適用できるようになってきました。
一般に機械特性や化学特性に優れた金属は、難加工材である傾向があります。このため、優れた特性と引き換えに、加工コストが高まりがちでした。金属3Dプリンターを活用すれば、これらの価値の高い金属素材を利用して、比較的容易かつ安価に造形できる可能性があります。
設計者の常識を外れて高性能を追求する自動設計技術が登場
近年、コンピュータを利用して、人間の設計者では思いつかない形状を生み出し、設計要件を満たす自動設計が普及し始めています。「ジェネレーティブデザイン」または「コンピュテーショナル・デザイン」「アルゴリズミック・デザイン」などと呼ばれる手法です。形状変更の試行錯誤とCAEによる設計後の形状の特性検証を何度も高速で繰り返し、要件を満たす最適解を見つける技術です。既に、工業製品や建築物などの意匠デザインや構造設計に広く取り入れられるようになりました。
一般に、設計者は、過去の経験に基づいて要件を満たす最適な形状を探し出します。その際、過去の経験が従来加工法で実現可能な形状の中で蓄積されるため、ベテラン設計者ほど、図らずも常識的な範囲内での創造力にとどまってしまう傾向があります。コンピュテーショナル・デザインは、機械的に試行錯誤を繰り返す設計方法なので、結果的に人間の常識では考えられない最適形状を見つけ出すことができるのです。ただし、その結果見つかった最適形状は、必ずしも従来加工法で実現できるわけではありません。
ただし、断面形状を積層して全体の形を作り上げる3Dプリンターならば、設計モデルで描かれた通りの形を作り上げることができます。コンピュテーショナル・デザインと3Dプリンターは、極めて相性がよい組み合わせです（図5）。この2つの技術を併用することによって、より高機能・高性能な工業製品が、次々と生まれる可能性があります。
図5 コンピュータが設計した理想的な形状も3Dプリンターならば難なく造形可能
（左）コンピュータ設計の様子、（右）右側が加工した軽量・高強度のコンピュータ設計の部品、左側は従来設計による同じ部分に利用する部品
出所：一般社団法人デジタルファブリケーション協会
3Dプリンターで創出する製造業の高付加価値コトづくり
3Dプリンターで創出する製造業の高付加価値コトづくり
3Dプリンターを利用するからこそ可能なコトづくり
金属加工には、極めて高い技能が要求されます。このため、複雑な形状の金属部品などを高精度で作るためには、熟練度の高い技能者が加工機を自分の手のように使いこなしながら作り出す必要がありました。ところが、金属3Dプリンターを活用すれば、設計した3Dモデルのデータさえあれば、熟練者でも作れないような形状の金属部品を誰でも思い通りに作ることができます。
1980年代、それまで専門家だけが利用できたコンピュータが、パソコンの登場により、誰でも利用できるようになりました。その結果、一般消費者の生活やビジネスのあり方が一変したことは誰もが知るところです。同様に、金属3Dプリンターの登場によって、金属加工を行う場所、時間、場面がこれまでとは比較にならないくらいに広がったと言えそうです。今後は、3Dプリンターを活用した新ビジネスが続々と登場してくることでしょう。いくつか想定される新ビジネスを想像してみたいと思います。
まず、顧客一人ひとりの要求に応じた形状の金属製品をカスタム製造するビジネスが登場することは確実です。例えば、自分でデザインした貴金属製アクセサリを作るようなビジネスが広がってくるかもしれません。海外の著名なアクセサリデザイナーにデザインしてもらって、データだけ送ってもらい、国内のアクセサリショップで指定した貴金属素材で出力してもらうといったこともできるでしょう。彫金師などに製作を依頼するのに比べたら、ずっと安価に作ることができると思われます。こうした、多くの消費者に向けてカスタム製品を広く普及させることができるようなものづくりは、「マスカスタマイゼーション」と呼ばれています。
また現在、ホームセンターなどに行くと、莫大な種類のネジや釘、工具などが陳列されています。将来のホームセンターでは、こうした商品は在庫しておかなくても、顧客がカタログから選んだ製品を金属3Dプリンターで出力して用意し、販売できるようになるかもしれません。当然、現在よりも品揃えは良くなるでしょうし、店舗面積を縮小することもできるため、低価格化が可能になる可能性もあります。
セラミックス、ガラス、コンクリート、そして生き物の細胞まで
セラミックス、ガラス、コンクリート、そして生き物の細胞まで
セラミックスやガラスも造形可能に、広範な工業製品で進む生産革新
3Dプリンターで金属材料を扱えるようになったことで、応用の幅は劇的に広がりました。ところが現在、樹脂や金属以外の素材も3Dプリンターで扱えるようになりつつあります。既に実用化しているものとして、セラミックスやガラス、炭素繊維複合材料、コンクリートなどが利用できるようになりました（図6）。また、研究段階では生き物の細胞まで扱う技術の研究も始まり、それぞれ素材の特性を活かした応用でその効果を試す動きが出てきています。
例えば、セラミックスやガラスは、強度や耐摩耗性、耐食性、絶縁性に優れ、生体に悪影響を与えない金属や樹脂にはない優れた性質を備えています。ところが極めて硬いことから精密な加工が困難であり、工業製品の素材としての潜在能力を活かせない状況でした。工業用の容器や電力関連装置の部品、人工骨などの製作への応用が期待されています。
また、コンクリートを扱う3Dプリンターを利用して、家を作ることを提案するスタートアップ企業も登場しています。工期が短く、低コストで建設できるメリットを訴求しています。資材搬入などに関わる建設場所の制約も少ないため、トラックなどが入り込みにくい場所での建設、将来的には宇宙空間や他の惑星などでの建造物の構築手段としても期待されています。また、洋上風力発電のタワーを養生に建設する技術を開発している企業もあります。
生き物の細胞にも適用、生鮮食品の工業化と再生医療の革新へ
また、培養した細胞を液体に混ぜ、3Dプリンターを利用して組織化する技術の開発も盛んに行われています。
既に、京都大学病院の研究チームは、指や手首の神経を損傷した患者自身の細胞からバイオ3Dプリンターを使って神経導管を作製し、それを移植することで患部の神経を再生させることに成功。再生医療への活用が期待されています。また、スウェーデンのルンド大学などのグループは、微細な気道を3Dプリンターで造形することに成功しています。
一方、大阪大学のグループは、培養した牛の筋肉、脂肪、血管などの細胞などを利用して、3Dプリンターで霜降りの培養肉の塊を作るのに成功しています。
まとめ
まとめ
金属加工に3Dプリンターを活用できるようになったことで、多品種少量生産品の低コスト生産や難加工形状・難加工材の部品の加工が用意になりました。現時点では、切削・鋳造・鍛造など既存の金属加工技術に比べれば、まだまだ低コスト化や高性能化の余地が残されています。それらの課題は、金属3Dプリンターの技術開発の難しさを示しているのではなく、大きな伸び代が残っていると捉えた方がよいでしょう。
また、コンピュータを使った自動設計との相性の良さから、金属3Dプリンターを利用して、これまでにはない高い価値を持つ金属加工品が次々と出てくる可能性があります。その効果から、自動車や産業機器などさまざまな分野で、機器や設備の飛躍的な進化が助長されることでしょう。金属3Dプリンターの技術の進化と応用の拡大の行方から目が離せません。
RX Japan株式会社では、日本最大級の製造業の展示会「ものづくり ワールド」を東京で行うほか、大阪・名古屋・福岡でも開催しております。その中でも、構成展の一つである「次世代3Dプリンタ展」では、アディティブ・マニュファクチャリング、3Dプリンタ、材料、受託造形サービスなどが数多く出展します。新しい価値を持つ製造技術工場セキュリティに関する最新情報を一括収集できる貴重な場になります。
製造業の最先端事例が学べるセミナーもあるため、足を運んでみてはいかがでしょうか？また、来場だけでなく展示会への出展も受け付けております。気になる方は、お気軽にお問い合わせください。
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執筆者プロフィール
伊藤 元昭
富士通株式会社にて、半導体エンジニアとして、宇宙開発事業団（現JAXA）の委託による人工衛星用耐放射線半導体デバイスの開発に従事。日経BP社にて、日経マイクロデバイスおよび日経エレクトロニクスの記者、副編集長、日経BP半導体リサーチの編集長を歴任。
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